دانشمندان با تولید هیدروژن سبز از ادرار، مصرف انرژی را تا ۲۷ درصد کاهش دادند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، هیدروژن به عنوان یکی از نویدبخش‌ترین منابع انرژی پاک آینده دیده می‌شود. این ماده به طور پاک می‌سوزد، فقط آب را به عنوان محصول جانبی تولید می‌کند و روشی همه‌کاره برای کربن‌زدایی از بخش‌هایی که برق‌رسانی در آنها با مشکل مواجه است - مانند صنایع سنگین، هوانوردی و کشتیرانی - ارائه می‌دهد.
همچنین می‌تواند به عنوان ذخیره انرژی بلندمدت عمل کند و آن را به ستونی کلیدی در تلاش جهانی برای حذف تدریجی سوخت‌های فسیلی تبدیل کند.
اما یک نکته وجود دارد: تولید هیدروژن به صورت پاک و مقرون به صرفه همچنان یک چالش بزرگ است.
بیشتر هیدروژن امروزی از سوخت‌های فسیلی، معروف به هیدروژن خاکستری، ساخته می‌شود که مقادیر زیادی CO₂ آزاد می‌کند.
جایگزین پاک‌تر، الکترولیز آب، از انتشار گاز‌های گلخانه‌ای جلوگیری می‌کند، اما به مقادیر عظیمی برق نیاز دارد که آن را در بسیاری از مناطق از نظر هزینه بسیار گزاف می‌کند. این بده بستان مانع از آن شده است که هیدروژن سبز به سرعت کافی در مقیاس وسیع تولید شود.
دانشمندان به یک منبع غیرمنتظره روی آوردند: ادرار
اکنون، محققان دانشگاه آدلاید و مرکز عالی علوم و نوآوری کربن ARC (COE-CSI) دو سیستم الکترولیز نوآورانه توسعه داده‌اند که از اوره موجود در ادرار انسان و فاضلاب برای تولید هیدروژن با کارایی بیشتر استفاده می‌کنند.
سیستم‌های آنها در مقایسه با تجزیه آب، مصرف برق را ۲۰ تا ۲۷ درصد کاهش می‌دهند و محصولات جانبی سمی را در این فرآیند از بین می‌برند.
پروفسور یائو ژنگ، محقق ارشد COE-CSI، گفت: «اگرچه ما همه مشکلات را حل نکرده‌ایم، اما در صورت افزایش مقیاس این سیستم‌ها، سیستم‌های ما به جای نیترات‌ها و نیتریت‌های سمی، گاز نیتروژن بی‌ضرر تولید می‌کنند و هر سیستم بین ۲۰ تا ۲۷ درصد برق کمتری نسبت به سیستم‌های تجزیه آب مصرف خواهد کرد.»
از اوره آزمایشگاهی تا فضولات انسانی واقعی
در اولین مطالعه خود، این تیم از یک سیستم جدید بدون غشاء استفاده کرد که توسط یک کاتالیزور مبتنی بر مس و اوره خالص تغذیه می‌شد.
با این حال، اوره خالص معمولاً از طریق فرآیند هابر-بوش تولید می‌شود که انرژی‌بر و منتشرکننده کربن است.
برای حل این مشکل، سیستم دوم طوری طراحی شد که با ادرار واقعی کار کند، منبعی پایدارتر و در دسترس‌تر.
ژنگ گفت: «ما باید هزینه تولید هیدروژن را کاهش دهیم، اما به روشی بدون کربن. سیستم مورد استفاده در مقاله اول ما، ضمن استفاده از یک سیستم منحصر‌به‌فرد بدون غشاء و کاتالیزور جدید مبتنی بر مس، از اوره خالص استفاده کرد که از طریق فرآیند سنتز آمونیاک هابر-بوش تولید می‌شود که انرژی‌بر است و مقدار زیادی CO₂ آزاد می‌کند. ما این مشکل را با استفاده از یک منبع سبز اوره - ادرار انسان - که اساس سیستم مورد بررسی در مقاله دوم ما است، حل کردیم.»
مقابله با خوردگی کلر در ادرار
ادرار، اگرچه منبع امیدوارکننده‌ای برای اوره است، اما چالش‌های خاص خود را نیز به همراه دارد. ادرار حاوی یون‌های کلرید است که می‌توانند در طول الکترولیز واکنش‌های شیمیایی ناخواسته‌ای را ایجاد کنند.
این واکنش‌ها گاز کلر تولید می‌کنند که باعث خوردگی آند سیستم شده و به مرور زمان به دستگاه آسیب می‌رساند.
برای حل این مشکل، محققان یک مکانیسم اکسیداسیون با واسطه کلر ایجاد کردند. به جای اینکه اجازه دهند یون‌های کلرید باعث خوردگی شوند، سیستم جدید مسیر واکنش را با استفاده از کاتالیزور‌های مبتنی بر پلاتین که بر پایه کربن هستند، تغییر مسیر می‌دهد.
این رویکرد نه تنها از آند محافظت می‌کند، بلکه تولید هیدروژن کارآمد از ادرار را نیز حفظ می‌کند.
به سوی هیدروژن پایدار و کم‌هزینه
اگرچه پلاتینیوم کارایی دارد، اما گران و کمیاب است. به همین دلیل گام بعدی، توسعه کاتالیزور‌های فلزی غیرگرانب‌ها با پایه کربن برای کاهش بیشتر هزینه‌ها و بهبود مقیاس‌پذیری است.
این تیم اکنون در حال کار بر روی ساخت سیستم‌های کاملاً بدون غشاء است که هم هیدروژن سبز را بازیابی می‌کند و هم فاضلاب غنی از نیتروژن را تصفیه می‌کند.
این تحقیق در دو نشریه Angewandte Chemie International Edition و Nature Communications منتشر شده است.